一种用于面传动前桥齿轮箱的综合优化设计方法

技术领域

本发明涉及齿轮传动箱优化设计领域，尤其涉及一种应用于面齿轮传动系统的车辆前桥差速器箱体的综合优化设计方法。

背景技术

齿轮箱作为机械设备中一种应用广泛的能量传递装置，其设计水平的高低在一定程度上反映了一个国家的综合国为和工业技术水平。随着科学技术的快速发展，人们对齿轮箱在高转速、大功率、轻量化、振动小、噪声低等方面提出了更高的要求。而对于应用于高速重载工况下齿轮箱而言，由于其负载大，工作环境复杂等特点，使箱体在支撑、定位齿轮传动的同时，还承受齿轮啮合冲击带来的振动，容易出现箱体变形甚至开裂的情况，所以对齿轮箱体的结构优化设计有着至关重要的作用。

对于高速重载工况下面齿轮传动齿轮箱，目前国内外尚无针对性的结构优化方法，而且传统的结构优化设计应用对象简单，目标变量单一，载荷工况恒定，无法满足其对结构复杂，工况多变的重载车辆齿轮箱的优化设计要求，为了解决上述问题，本发明基于实际载荷工况，考虑多约束条件，设定多目标变量，提出了一种针对面传动前桥差速器齿轮箱的综合优化设计方法。

发明内容

本发明主要解决现有的优化技术及方法一般只针对齿轮箱体的一个薄弱环节进行优化分析及设计，比如设计筋板结构以加强箱体的部分结构强度，忽略了箱体的振动特性；或者在已有箱体的基础上分析其静、动态特性，并以此为优化量进行拓扑优化设计，忽略了箱体在形貌上可优化空间，往往顾此失彼。

本发明为了解决目前针对面传动齿轮箱体存在的优化设计方法单一且顾此失彼的问题，提出了一种以箱体形貌优化设计为前提，充分利用箱体可优化空间，以基于实际工况的静动态特性多目标变量的拓扑优化设计为主体，采用一种综合的优化设计方法，全面提高装甲车面传动齿轮箱在重载大冲击工况下的力学性能，提高箱体的低阶振动频率，降低其最大变形位移，提高结构强度，对恶劣工况下箱体的使用寿命和安全可靠性有着明显的改善作用，对提升装甲车整体性能有着积极意义。

上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

包括以下步骤：

S1：以实际工况下面传动无轴向力的传力形式下齿轮箱各部位受力为基础，针对径向力方向箱体薄弱环节进行形貌优化设计；

S2：基于齿轮箱形貌优化模型，获取多目标优化变量值，以质量为约束条件开展拓扑优化分析，整体提升面传动箱体性能；

作为优选，所述的S1具体步骤如下：

S11：实际工况载荷的计算，针对面齿轮传动没有轴向力的独特传力形式，对主传动齿轮轴及前桥左右半轴进行最大负载下的受力分析、分别建立各轴的受力平衡方程，计算得到各轴的轴承位置处在最大工况下对箱体的径向支反力和轴向支反力。

S12：静力加载分析，将面传动前桥齿轮箱三维模型导入ANSYS Workbench的静力学分析模块，基于实际情况完成材料设置，约束添加以及网格划分，将S11中计算所得的各轴承位置处的最大工况载荷以轴承力的形式施加在箱体各个部位，开展静力加载分析。

S13：根据步骤S12中的静力加载计算结果，分析箱体的结构薄弱环节，设计加强筋板，完成初步形貌设计。

S2：基于齿轮箱形貌优化模型，获取多目标优化变量值，以质量为约束条件开展拓扑优化分析，整体提升面传动箱体性能，其具体步骤如下：

S21：基于步骤S1所述形貌优化模型，开展静力学特性分析，将步骤S1所述形貌优化后的面传动前桥齿轮箱模型导入ANSYWorkbench静力学特性分析模块，前处理完成后，分两次分别施加齿轮箱正反转时的工况载荷。在结果处理中，在薄弱结构处沿变形方向划定线应力，提取线应力最大值以及箱体的最大变形量。

S22：基于步骤S1所述形貌优化模型，开展动力学特性分析，将步骤S21所建立的形貌优化后的有限元模型遗传入模态分析模块，依据实际装配情况，施加约束，计算前桥齿轮箱体前十阶固有振型及所对应的固有频率，并提取一阶模态频率。

S23：将步骤S1所述的形貌优化后的有限元模型导入ANSYWorkbench拓扑优化设计模块，设定边界条件，选取约束施加及载荷施加区域作为非优化区域，将步骤S2所述的线应力最大值、箱体的最大变形量及一阶模态频率作为拓扑优化的目标变量，其中设定线应力最大值、箱体的最大变形量越小越好，一阶模态频率越大越好，以保留质量的75％作为约束条件，开展形貌优化后箱体的拓扑优化设计。

S24：分析步骤S31拓扑优化计算后的模型结果，提取优化后结构的主要几何特征，在三维建模软件UG中修改箱体模型，得到综合优化后的面传动前桥齿轮箱模型。

本发明的技术效果是：

本发明主要针对现有的针对面传动齿轮箱的结构优化框架简单，方法单一，无法同时满足充分利用优化空间和针对静动特性的多目标优化量进行优化的问题，提出一种以面传动箱体形貌优化设计为前提，充分利用箱体可优化空间，以基于实际工况的静动态特性多目标变量的拓扑优化设计为主体的综合优化设计方法。该方法同时采用形貌设计和拓扑优化设计，利用ANSYS Workbench仿真软件，既验证了形貌优化设计的合理性，同时以结构线应力，最大变形量和一阶模态为优化目标量，得到最优解的拓扑优化模型，全面提高了装甲车面传动齿轮箱在重载大冲击工况下的力学性能。

附图说明

图1是本发明的一种用于面传动前桥齿轮箱的综合优化设计方法的流程图；

图2是本发明的基于静力加载结果的形貌优化设计流程图；

图3是本发明的面传动前桥齿轮箱的初始模型；

图4是本发明的基于实际载荷工况的面传动前桥齿轮箱有限元模型；

图5是本发明的面传动前桥齿轮箱的一阶模态阵型图；

图6是本发明的面传动前桥齿轮箱的拓扑优化结果模型图；

图7是本发明的面传动前桥齿轮箱的改进模型图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本实施例中对面传动前桥齿轮箱的综合优化设计方法包括以下步骤：

S1：以实际工况下面传动齿轮箱各部位受力为基础，进行箱体形貌优化设计，该实例的形貌优化设计流程图如图2所示。

S11：分析实际工况下面传动齿轮箱各部位受力前，需考虑面齿轮传动没有轴向力的独特传力形式，根据实际载荷计算齿轮传动圆周力和径向力，而后根据力的传输路径建立主传动齿轮轴及前桥左右半轴的受力平衡方程，计算得到各轴的轴承位置处在最大工况下对箱体的径向支反力和轴向支反力。同样的方法计算出反转时各轴的轴承位置处对箱体的径向支反力和轴向支反力。

在对箱体进行薄弱结构分析之前，需要对初始模型进行结构上的几何处理，利用Ug软件清除倒角、圆角、观察孔等对结构强度影响不大的特征，处理简化完之后的模型如图3所示。

S12：进行静力加载分析，将面传动前桥齿轮箱三维模型导入ANSYS Workbench的静力学分析模块，基于实际情况完成材料设置，基于面齿轮前桥齿轮箱的实际装配施加固定副等约束，划分四面体网格，本实例的网格尺寸为0.005m，网格总数为942797个，将S11中计算所得的各轴承位置处的最大工况载荷以轴承力的形式施加在箱体各个部位，开展静力加载分析，计算结果中添加“总位移”，其结果如图4所示。

S13：根据步骤S12中的静力加载计算结果，分析箱体的结构薄弱环节，可见面传动前桥齿轮箱的内部轴承承接板变形位移最大，是因为其在承受推力球轴承的较大的轴向力的同时，其底部缺少支撑，故在UG中为其设计支撑筋板，完成初步形貌设计。

S2：基于齿轮箱形貌优化模型，获取多目标优化变量值，以质量为约束条件开展拓扑优化分析，整体提升面传动箱体性能，其具体步骤如下：

S21：基于步骤S1所述形貌优化模型，在ANSYS Workbench的“static structural”中开展静力学特性分析，将步骤S1所述形貌优化后的面传动前桥齿轮箱模型导入ANSYWorkbench静力学特性分析模块，施加和步骤S1相同的前处理操作，在各个轴承处以轴承载荷和轴向力的形式分两次分别施加齿轮箱正反转时的工况载荷。在求解方案中，在薄弱结构齿轮箱的内部轴承承接板处沿变形方向划定线应力，提取线应力最大值以及箱体的最大变形量作为后续优化的目标量。

S22：基于步骤S1所述形貌优化模型，开展动力学特性分析，将步骤S21所建立的形貌优化后的有限元模型遗传入模态分析模块“modal”，依据实际装配情况，施加约束，计算前桥齿轮箱体前十阶固有振型及所对应的固有频率，在求解方案中提取前十阶模态总变形，并提取一阶模态频率作为后续优化目标量之一，其一阶模态振形图如图5所示。

S23：将步骤S1所述的形貌优化后的有限元模型导入ANSYWorkbench拓扑优化设计模块“Topology Optimization”，设定优化区域，选取约束施加及载荷施加区域共9个面作为非优化区域；设定优化目标将步骤S2所述的线应力最大值、箱体的最大变形量及一阶模态频率作为拓扑优化的目标变量，其中设定线应力最大值、箱体的最大变形量与最优解负相关，一阶模态频率与最优解正相关，以保留质量的75％作为约束条件，开展形貌优化后箱体的拓扑优化设计，其求解结果如图6所示。

S24：分析步骤S31拓扑优化计算后的模型结果，提取优化后结构的主要几何特征，同时也要考虑面齿轮传动过程中润滑油的盛装，保证前桥箱体结构的密封性，在三维建模软件UG中修改箱体模型部分特征，得到综合优化后的面传动前桥齿轮箱模型，如图7所示。对最终模型进行有限元分析和测量表明，前桥箱体质量降低3.83％，实际工况下的最大变形量降低6.73％，一阶模态频率提高了4.62％。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

申请人：北京航空航天大学，重庆铁马工业集团有限公司

发明人：王延忠，陈威，黄一展，聂硕硕，平子维，蒋西怀。